2.6 ESTUDOS EXPERIMENTAIS SOBRE O REFORÇO A FLEXÃO DE VIGAS DE
2.6.3 CHEONG e MACALEVEY (2000)
Figura 2.19 - Esquema de carregamento das vigas contínuas de CHEONG e MACALEVEY (2000).
Tabela 2.12 – Armaduras de aço usadas nas vigas (CHEONG e MACALEVEY, 2000).
Armaduras Viga
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
2-1 a 2-6 e 2-10
2φ16 mm
2φ25 mm
φ6mm c.115mm
φ6mm c.115mm
2φ6 mm
φ8mm
c.250mm * *
2-9 2φ16 mm
2φ25 mm
φ6mm c.115mm
φ6mm c.75mm
2φ6 mm
φ8mm
c.250mm * *
2-8 2φ16 mm
2φ25 mm
φ6mm c.115mm
4φ6.0mm (fig. 2.20)
2φ6 mm
φ8mm
c.250mm * *
4-1 2φ10 mm
2φ16 mm
φ6mm
c.115mm * 2φ6 mm
φ8mm
c.250mm * *
6-1 e 6-2 2φ10 mm
22φ25 mm
φ6mm c.115mm
φ6mm c.115mm
2φ10 mm
φ8mm c.250mm
4φ6mm
(fig.2.20) 2φ25mm
* ver figura 2.20(a).
Barras de aço φ
(mm) 25 16 13 10 8 6
fy
(MPa) 567 583 563 321 407 290 Célula de carga
1650 mm 850 mm 3000 mm
Viga de transferência de carga Carga (macaco hidráulico)
500mm 500mm
Viga original Reforço Pré - carregamento (macaco hidráulico)
** Seção de momento fletor nulo
**
Segundo o autor, as vigas contínuas foram ensaiadas para confirmar que as simplesmente apoiadas podem representar um trecho do vão das primeiras entre duas seções de momento fletor nulo. Essas vigas também foram utilizadas para investigar o efeito do emprego de placas estreitas no apoio de vigas reforçadas por encamisamento.
O preparo da superfície das vigas ocorreu de duas maneiras: apicoamento completo (remoção completa do cobrimento ao longo da interface, com agregados expostos até no máximo 6 mm) e apicoamento parcial (com cerca de 70% da superfície de concreto da interface permanecendo intacta e retirada do cobrimento em torno de 6 mm).
As vigas originais não foram pré-fissuradas antes de receberem o reforço. Os ensaios das vigas reforçadas ocorreram 28 dias após a execução do reforço.
Figura 2.20 – Armaduras das vigas de CHEONG e MACALEVEY (2000) (continua).
A3 A4
A2 A1 A5
3900
150 150
250 50
VIGAS SÉRIES 2,7,8 e 9 A
3600
(comprimento do reforço)
350250
A 50 250
B
B A5
A2 A1
A3 A4
VIGA 2-10
350
250
A3
A2 A1 A5
VIGA 2-8 A A
A4 A4
Chapa de aço soldada
(a)
A3
A2 A1 A5
VIGA 4-1 C
C
Medidas em mm
VIGA 2-8
Vigas simplesmente apoiadas
Figura 2.20 - Armadura das vigas de CHEONG e MACALEVEY (2000) (continuação).
Na tabela 2.13 são apresentados os dados obtidos dos ensaios estáticos.
A7
A A
A8 A3
A2 A1
A5
A4 A4
3200
2750 450
6400
6100
250
(comprimento do reforço)
350
A7
A A
A8 A3
A2 A1
A5
A4 A4
2750 450 3200
6400
6100
250
(comprimento do reforço)
350
A1 A2 A3 A4 A6 A5
1 1
Corte C-C A5
A6
A3
A2 A1
Corte B-B Corte A-A
A5
A6 A4 A3
A2 A1 1
3 2 3
(c) seção transversal das vigas (b) vigas contínuas (série 6)
(1), (2) e (3) - interfaces viga-reforço.
Medidas em mm.
Tabela 2.13 – Dados das vigas de CHEONG e MACALEVEY (2000) submetidas a ensaios estáticos.
Segundo os autores, os resultados das vigas com pintura na superfície de ligação viga-reforço com material antiaderente (vigas 2-4 a 2-6) mostram que a interface horizontal 2 é a responsável pela transferência da maior parte da carga.
No entanto, houve pequena diferença entre os valores da carga de ruptura das vigas 2-4, 2-5 e 2-6.
Os ensaios com carga cíclica foram realizados em 2 grupos de vigas simplesmente apoiadas, cujos resultados estão na tabela 2.14. Inicialmente, as vigas foram carregadas estaticamente até 240kN (correspondia aproximadamente
fcm
(MPa)
Pu
(kN) Modo de ruptura Viga Tipo Tipo de
apicoamento
reforço viga
2-1 Monolítica ** ** 45 404 Flexão
2-2 Reforçada PA 55 45 393 Flexão
2-3 Reforçada CA 55 45 433 Flexão
2-4 Reforçada CA (3)* 70 30 430 Flexão
2-5 Reforçada CA (1)* 70 50 422 Flexão
2-6 Reforçada CA (2)* 70 30 410 Cisalhamento
2-8 Reforçada PA 55 50 351
Ruína frágil pela perda de aderência
na ancoragem dos estribos do reforço
2-9 Reforçada PA 55 50 418 Flexão
2-10 Reforçada PA 55 50 376
Ruína frágil pela perda de aderência
na ancoragem dos estribos do reforço 4-1 Reforçada PA 60 50 135 Ruptura na
interface 6-1 Monolítica ** ** 30 309 Esmagamento do
concreto acima do apoio 6-2 Reforçada PA 60 30 374 Esmagamento do
concreto acima do apoio PA – Parcialmente Apicoada;
CA – Completamente Apicoada;
(n)* indica qual a superfície pintada com material antiaderente (ver figura 2.20(c));
** vigas não reforçadas de referência (ver figura 2.20 (a) e (b)).
à carga de serviço). Daí em diante, passou-se a variar o carregamento entre 80kN (cerca de 20% da carga de ruptura estática) e 240 kN. As vigas da série 8, após serem submetidas a 100000 ciclos de carregamento, numa freqüência de 0,6 Hz, tiveram a carga aumentada até ocorrer a ruptura. Já na série 9, as vigas receberam carregamento cíclico até a ruptura.
Tabela 2.14 – Dados das vigas de CHEONG e MACALEVEY (2000) submetidas a ensaios dinâmicos.
fcm
(MPa) Modo de
ruptura Viga Tipo
Preparo da interface
reforço viga
Pu
(kN) ciclos
8-1 Monolítica * * 50 411 Cisalhamento
8-2 Reforçada PA 55 45 407 Flexão
8-3 Reforçada CA 55 45 393 Flexão
9-1 Monolítica * * 50 608738
ciclos
Fadiga – por ruptura do aço
tracionado.
9-2 Reforçada CA 60 30 436139
ciclos
Fadiga – por ruptura do aço
tracionado PA – Parcialmente Apicoada;
CA – Completamente Apicoada;
* viga não reforçada de referência (ver figura 2.20(a)).
Nos ensaios das vigas do grupo 9, os ciclos de carregamento não causaram ruptura na interface entre viga e reforço.
As principais conclusões do estudo foram as seguintes:
• Foram registradas tensões de escoamento nos estribos do reforço, próximo à face inferior da mesa, indicando ser necessária uma ancoragem adequada dessa armadura;
• O carregamento dinâmico moderado de uma viga reforçada por encamisamento, conforme o desse trabalho, parece não reduzir de forma significativa a capacidade de carga da viga;
• A largura dos apoios deve ser próxima à largura da viga reforçada, para não resultar em ruína frágil (observe-se que não foram informadas pelo autor as dimensões do apoio).
Pode–se constatar nas figuras 2.18 e 2.19 que o reforço das vigas foi feito também na região dos apoios, o que corresponde a uma situação muito atípica na prática.
2.6.4 PIANCASTELI e CALIXTO (2002)
Este programa experimental objetivou investigar o comportamento de vigas de concreto armado reforçadas à flexão pelo acréscimo de concreto e aço na zona tracionada e solicitadas nas idades iniciais.
As vigas reforçadas foram solicitadas poucos dias depois da intervenção. Foi avaliada também a influência do estado de solicitação da peça no instante do reforço.
Quatro séries de vigas foram ensaiadas, duas vigas em cada série, sendo, portanto, um total de oito vigas. As séries 1 e 4 foram formadas pelas vigas de referência. Já as séries 2 e 3 eram constituídas pelas vigas reforçadas. A principal diferença entre as vigas das séries 2 e 3 foi a carga atuante no instante do reforço.
Na figura 2.21 são mostradas as armaduras das vigas da série 1 e das séries 2 e 3, antes de serem reforçadas.
Figura 2.21 - Detalhamento das vigas originais (PIANCASTELI e CALIXTO, 2002).
A armadura transversal das vigas originais foi projetada de forma a garantir a
A figura 2.22 apresenta os detalhes das vigas séries 2 e 3 com reforço e o das vigas de referência da série 4.
As vigas da série 4 apresentaram as mesmas dimensões e armaduras das vigas da série 2 e 3 depois de reforçadas.
Figura 2.22 – Detalhamento das Vigas reforçadas e das vigas monolíticas de referência da série 4 (PIANCASTTELI e CALIXTO, 2002).
Os dados das vigas ensaiadas são apresentados na tabela 2.15.
Tabela 2.15 – Dados das vigas ensaiadas por PIANCASTELI e CALIXTO (2002).
As vigas da série 4 foram concretadas em uma só etapa, ou seja, o mesmo concreto foi usado em toda seção transversal.
Na data dos ensaios, o concreto das vigas originais tinha idade mínima de 10 meses. Na tabela 2.15, o valor da resistência do concreto do reforço foi o obtido na idade de 4 dias, quando as vigas foram ensaiadas.
As formas utilizadas na concretagem do reforço foram apoiadas na própria viga a ser reforçada. A superfície inferior das vigas que foram reforçadas foi apicoada até a retirada da nata superficial. No instante do reforço, as superfícies dessas vigas encontravam-se totalmente secas.
As vigas de referência (séries 1 e 4) foram levadas à ruptura em uma só etapa de carregamento. As vigas das séries 2 e 3 foram ensaiadas em duas etapas.
A primeira etapa consistiu em submeter a viga original a uma carga correspondente a 67 % do valor médio da carga de ruptura experimental das vigas de referência da série 1 ou 97% da carga de ruptura segundo a NBR-6118 (1980) para essas mesmas vigas monolíticas. Na segunda etapa, que ocorreu quatro dias após a execução do reforço, as vigas reforçadas foram levadas à ruína.
Concreto Aço
Viga Reforço fy
(MPa) Série
de vigas
Tipos de vigas
Carga no instante do
reforço fcm
(MPa) fct
(MPa) fcm
(MPa) fct
(MPa) Viga Reforço 1
Vigas originais
de referência - 40,4 2,8 - - -
2
Vigas reforçadas sob o peso próprio
Peso próprio + peso do
reforço
40,4 2,8 47,8 3,8
3 Vigas reforçadas sob
carga
Peso próprio + peso do reforço+ 45%
da carga de ruptura experimental das vigas da
série 1
40,4 2,8 47,8 3,8
4 Vigas monolíticas de
referência
- 40,4 2,8 - -
613,1
574,5
O esquema de carregamento montado para o ensaio das vigas é mostrado na figura 2.23. Durante o ensaio, foram medidas as flechas no meio e a um quarto do vão da viga; além de deformações no concreto e nas armaduras interna e do reforço, na seção do meio do vão.
Figura 2.23 - Esquema de carregamento das vigas de PIANCASTELI e CALIXTO (2002).
Os resultados teóricos de carga última que constam na tabela 2.16 foram obtidos com as premissas básicas do cálculo de seções de concreto armado, e considerando - se que os materiais apresentavam as resistências médias determinadas nos ensaios de caracterização. Os valores apresentados como resultados da NBR-6118 foram os calculados adotando–se as resistências médias do concreto e do aço divididas por 1,4 e 1,15, respectivamente.
Denominou-se ganho obtido com o reforço a razão entre o valor de carga de ruptura da viga reforçada e o valor dessa carga da viga original de referência (vigas da série 1).
Para o cálculo do ganho em serviço consideraram-se, nas vigas da série 2, as cargas correspondentes à flecha de 9,7mm (vão/300). No caso da série 3, as cargas se referem à flecha de 14,7mm (vão/200), pois no instante do reforço as vigas dessa série apresentaram uma flecha, em média, igual a 11,2 mm ( vão/259).
Carga (macaco hidráulico)
Viga de transferência de carga
Viga original Reforço
2900 mm
1200 mm 250 mm
Tabela 2.16 - Resultados dos ensaios de PIANCASTELI e CALIXTO (2002).
Nota–se que os ganhos em serviço e na ruptura foram da mesma ordem de grandeza e bastante significativos.
A carga média de ruptura das vigas da série 2 (100,2 kN) foi 7,5% menor do que a da série 4 (108,3 kN). A carga média de ruptura das vigas da série 3 (109,2 kN) foi praticamente igual à das vigas da série 4 (108,3 kN).
Os autores justificaram que o procedimento de executar o reforço sob carga foi utilizado por essa ser a condição que geralmente ocorre na obra.
É possível solicitar, nas idades iniciais, vigas reforçadas à flexão, desde que o concreto do reforço apresente, na data de sua solicitação, características físicas compatíveis com as do concreto da peça a ser reforçada e com os níveis de solicitação a que será submetido.
Apesar das diferentes condições de solicitação inicial, as vigas correspondentes às séries 3 e 4 apresentaram o mesmo comportamento.
O método de reforço utilizado mostrou-se eficiente. Houve um aumento significativo na capacidade portante das vigas reforçadas em relação às vigas sem reforço. O desempenho das vigas reforçadas foi, tanto em serviço quanto na ruptura, em média 2,4 vezes o das vigas originais (vigas da série 1).
Plim,flecha
(kN)
Pu
(kN)
Ganho médio **
Série
vão/300 vão/200 (1) (2) (3) serviço ruptura
Eficiência média ***
(%)
1 24,8 31,9 * * 43,0
2 62,3 - 71,6 108,4 100,2 2,51 2,33 92,5 3 - 70,9 71,6 108,4 109,2 2,22 2,54 101
4 - - * * 108,3
(1) NBR – 6118 (2) Teórico
(3) Experimental
* Não foram apresentados pelo autor os valores correspondentes à Pu da NBR-6118 e Teórico das vigas das séries 1 e 4.
** O ganho das vigas reforçadas foi obtido em relação às vigas da série 1;
*** A eficiência das vigas reforçadas foi obtida em relação às vigas da série 4;
2.6.5 ALTUN (2004)
Nove vigas de concreto armado, divididas em três grupos, foram reforçadas por encamisamento, adicionando-se uma camada de 10 cm de espessura, em todas as suas faces. Além dessas, foram ensaiadas outras nove com dimensões iguais às das vigas originais, que foram tomadas por referência.
As vigas originais (sem reforço) tinham seção transversal retangular de dimensões: 150 mm x 150 mm, 150 mm x 200 mm e 200 mm x 200 mm. Após o reforço, essas dimensões passaram a ser, respectivamente: 350 mm x 350 mm, 350 mm x 400 mm e 400 mm x 400 mm.
Na tabela 2.17, encontram–se as armaduras transversais e longitudinais usadas nas vigas de referência e no reforço. A taxa de armadura longitudinal de tração, tanto das vigas de referência como das vigas reforçadas, foram definidas para permitir um comportamento dúctil (vigas de seção subarmada). Na determinação da taxa de armadura longitudinal de tração do elemento reforçado foram desconsideradas as barras da armadura longitudinal da viga original, pois devido ao posicionamento dessas barras na seção transversal, a sua contribuição no momento resistente seria pequena.
Tabela 2.17 – Dados das vigas ensaiadas por ALTUN (2004).
Vigas
Dimensões da seção
(mm)
fcm
(MPa) fy
(MPa)
Armadura longitudinal
de tração
Armadura transversal 1a 3 150 x 150 23,5 435,0 2φ8mm φ8mmc.100mm 4 a 6 150 x 200 23,5 435,0 3φ8mm φ8mmc.100mm Vigas de
referência
7a 9 200 x 200 23,5 435,0 3φ8mm φ8mmc.100mm 10 a 12 350 x 350 23,5 435,0 2φ8mm +
4φ20mm φ8mmc.100mm 13 a 15 350 x 400 23,5 435,0 3φ8mm +
5φ20mm φ8mmc.100mm Vigas
reforçadas
16 a 18 400 x 400 23,5 435,0 2φ8mm +
5φ20mm φ8mmc.100mm
As vigas de referência foram ensaiadas, em um ciclo de carga até a ruptura, na idade de 28 dias.
As vigas foram reforçadas sem estarem sob carregamento. Porém, antes de serem reforçadas, foram fissuradas, sendo carregadas até ocorrer o escoamento da armadura longitudinal de tração. Posteriormente, foram apicoadas, retirando-se o concreto superficial até uma profundidade de aproximadamente 20 mm.
Antes da concretagem, foi feita uma ligação, através da soldagem de barras em “Z” (φ8.0 a c. 400 mm) entre a armadura do reforço e a da viga original (ver figura 2.24). Segundo o autor, essa união tinha por finalidade posicionar de maneira uniforme a viga inicial dentro da armadura do reforço, funcionando como espaçador.
Figura 2.24 – Barras de ligação em Z e concretagem do reforço (ALTUN, 2004).
Decorridos 28 dias da execução do reforço, as vigas foram carregadas em um único ciclo, até a ruptura. A Figura 2.25 mostra o esquema de carregamento utilizado no ensaio de todas as vigas. Durante os ensaios foram medidas flechas, deformações no concreto e na armadura longitudinal de tração, no meio do vão.
Figura 2.25 – Esquema de carregamento utilizado nos ensaios de ALTUN (2004).
No cálculo da carga de ruptura teórica, foram levadas em consideração as barras longitudinais da viga original, ilustradas na figura 2.26.
Figura 2.26 – Seção típica das vigas reforçadas por encamisamento (adaptado de Altun, 2004).
A tabela 2.18 mostra as cargas de ruptura teórica e experimental e os valores do índice δu/δy para as vigas de referência e reforçadas, onde δu e δy são as flechas no meio do vão correspondentes às cargas última e de escoamento da armadura longitudinal de tração, respectivamente. Os valores teóricos de carga de ruptura foram obtidos a partir das prescrições das normas BS-8110-1985 e TS-500-2000, e
C a rg a (m a c a c o h id rá u lic o ) 7 0 0 m m 3 0 0 m m
6 0 0 m m 6 0 0 m m 6 0 0 m m
original Viga
REFORÇO
df d
b bf
adotando–se as resistências médias do concreto e do aço divididas pelos seus respectivos coeficientes de segurança.
Todas as vigas apresentaram comportamento dúctil. As vigas reforçadas apresentaram consideráveis ganhos de resistência em relação às vigas de referência correspondentes.
Alguns aspectos desse trabalho não representam situações reais de reforço: o encamisamento de toda a seção e a não consideração das barras longitudinais da viga original na composição da taxa de armadura de flexão do elemento reforçado.
Tabela 2.18 – Cargas de ruptura e índice δu / δy das vigas de Altun (2004).
Viga Pu,t
(kN)
Pu,e
(kN) (Pu,e/Pu,t ) (δu / δy)
1 19,85 1,47 2,08
2 23,25 1,72 1,71
3
13,50
23,00 1,70 1,60
4 31,50 1,58 1,41
5 28,05 1,41 1,48
6
13,88
28,45 1,43 1,81
7 39,95 1,42 1,50
8 40,25 1,43 1,67
9
28,00
40,80 1,45 1,63
10 262,00 1,53 2,11
11 247,00 1,44 2,16
12
171,00
246,00 1,44 2,01
13 283,00 1,33 2,47
14 296,00 1,39 2,84
15
213,00
295,00 1,38 2,59
16 337,00 1,33 1,86
17 343,00 1,35 1,97
18
254, 00
339,00 1,33 1,97